KR20010079820A

KR20010079820A - 희토류 바륨-코퍼 혼합 조성을 갖는 초전도 구조체

Info

Publication number: KR20010079820A
Application number: KR1020017003285A
Authority: KR
Inventors: 추희 권; 콴씨 지아; 스테픈 알. 폴틴; 제임스 엘. 스미스; 윌리암 래리 헐츠; 에릭 제이. 피터슨
Original assignee: 추후제출; 더 리젠츠 오브 더 유니버시티 오브 캘리포니아
Priority date: 1998-09-14
Filing date: 1999-09-14
Publication date: 2001-08-22
Also published as: JP2002527345A; AU2586300A; WO2000022652A3; CA2344040A1; US6602588B1; EP1126971A2; WO2000022652A2

Abstract

산화 유전층 기판과 기판 상의 희토류-바륨-코퍼 옥사이드 초전도막의 박층을 포함하는 초전도 구조체가 제공되며, 박막은 적어도 두 개의 희토류 원소를 포함한다.

Description

희토류 바륨-코퍼 혼합 조성을 갖는 초전도 구조체{Superconducting structure including mixed rare earth barium-copper compositions}

본 발명은 초전도 구조체, 및 RE¹과 RE²가 선택된 희토류 원소인 경우에 선택된 (RE¹/RE²)Ba₂Cu₃O₇혼합막의 초전도 플럭스 피닝(flux pinning) 속성을 개선하는 방법에 관한 것이다. 본 발명은 미합중국 에너지성이 수여한 계약번호 제W-7405-ENG-36호에 의한 정부 지원으로 이루어졌다. 정부는 본 발명에 관한 소정의 권리를 갖는다.

[종래기술]

고온 초전도(HTS) 물질(77K의 액체 질소 온도 이상의 초전도성 물질)의 발견 이후로, HTS 물질을 이용하는 다양한 기술과 엔지니어링 응용분야를 연구 및 개발하기 위한 노력이 있어왔다. 박막 초전도장치에서는, 잘 알려진 YBa₂Cu₃O_7-x의 기본 조성(이하, "Y123"으로 칭함)에서 이트륨, 바륨, 코퍼 및 산화물을 포함하는 초전도 산화물을 활용하는 장치의 제작과 함께 가장 큰 발전을 이루었다. 액체 질소 온도와 고온 자계에서, Y123의 J_c는 비스무스, 탈륨과 수은을 기본으로 하는 HTS 물질의 온도와 자계보다 월등하다. 그리하여 Y123은 여러 응용 분야에서 선호하는재료가 되었다.

Y123가 HTS 응용을 위해 선택된 물질이긴 하지만, 단점을 갖고 있다. 한가지 단점은, (J_c가 T_c;J_c (1-T/T_c)^3/2에 의존하기 때문에) Y123이 액체 질소 온도에서 J_c를 제한할 수 있는 (RE)Ba₂Cu₃O_7-x재료(이하, (RE)123으로 칭함) 중에서 가장 낮은 T_c들 중의 하나를 갖는데 있다. 또 하나의 단점은, Nd123 같은 다른 RE123 물질들이 고 자계에서 Y123보다 더 큰 J_c를 갖는데 있다. 여기서, 다양한 HTS 응용을 위해 (RE)123 막을 계속 개발하는 것이 중요했었다.

또, 플럭스 피닝을 개선하기 위해 벌크 물질의 혼합된 희토류 원소를 벌크 물질로 결합시키기 위한 노력이 여러 번 있었다. 예를 들면 Physica C 249권(1995년)의 255-261 페이지에서 매튜 등(Matthews et al.)은 Y123 샘플과의 자계 비교에서 (Nd_1-yY_y)의 벌크 표본에 대하여 J_c가 증가했다고 기술하고 있다. Supercond. Sci. Technol. 9권(1996년)의 869-874 페이지에서 섀츨 등(Schaetzle et al.)은 (Sm_1-yY_y)123과 (Nd_1-yY_y)123과의 벌크 표본의 제법을 기술하고 있다. 새클 등(Schaekle et al.)은 자계에 있어서 Y123보다 (Nd_1-yY_y)123에 대하여 더 높은 J_c를 보여주지만, 자계에 있어서 (Sm_1-yY_y)123이 Y123보다 더 낮은 J_c를 갖고 있다는 것을 보여준다. Physica C 288권(1997년)의 141-147 페이지에서 사이토 등(Saitoh et al.)은 RE와 RE'가 이트륨, 네오디뮴, 유로퓸, 가돌리늄과 사마륨을 포함하는 그룹에서 나오는 희토류 원소인 경우에, (RE, RE')123에 대한 자계에 있어서의 J_c를 설명하고 있다.

벌크 재료에 관한 다양한 연구에도 불구하고, 123 조성물을 포함하는 혼합된 희토류 원소로 박막을 형성하기 위해 알려진 시도는 없었다. 그러므로, 본 발명의 목적은 다양한 (RE¹/RE²)123 막의 박막 조성을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 (RE¹)123과 (RE²)123 박층을 교차하여 적층시킨 다층 조성을 형성함으로써 강화된 플럭스 피닝 속성을 갖는 다양한 (RE¹/RE²)123 박막을 형성하는 공정을 제공하는 것이다.

[발명의 요약]

전술한 목적과 다른 목적을 달성하기 위하여, 그리고 본 발명의 목적에 따라 실시되고 본 명세서에서 광범위하게 기술된 대로, 본 발명은 기판과, 기판 상에 박층의 초전도 희토류-바륨-코퍼 산화물((RE)123)을 포함하는 초전도 구조체를 제공하며, 박층은 적어도 두 개의 희토류 원소(RE¹과 RE²)를 포함한다.

본 발명에서는 또한 기판에 바로 형성된 제1 희토류-바륨-코퍼 산화물((RE¹)123)의 적어도 하나의 제1 박층과, 제2 희토류-바륨-코퍼 산화물((RE²)123)의 제2 박층을 포함하는 박막층을 교대로 형성함으로써 초전도 (희토류)-바륨-코퍼 산화물 구조체의 초전도 플럭스 피닝 속성을 개선하는 방법을 제공한다.

도1은 본 발명의 제1 실시예에 따라 초전도 구조체의 개략적인 구성을 도시하며,

도2는 본 발명에 따라서 초전도 이트륨-바륨-코퍼 산화막, 초전도 에르븀-바륨-코퍼 산화막 및 2층의 초전도 에르븀-바륨-코퍼 산화물과 교번하는 3층의 초전도 이트륨-바륨-코퍼 산화물의 다층 구조체 간의 각도 종속성(I_c/I_co)의 비교를 도시하며,

도3은 본 발명에 따라서 초전도 이트륨-바륨-코퍼 산화막, 1998년 9월14일자로 출원된 미국특허출원 제09/152,813호 "초전도 구조체"에서 권 등(Kwon et al.)에 의해 개시된 바와 같이 단일 박층 버퍼인 YBCO를 포함하는 초전도 사마륨-바륨-코퍼 산화막 및 2층의 초전도 사마륨-바륨-코퍼 산화물과 교번하는 3층의 초전도 이트륨-바륨-코퍼 산화물의 다층 구조체 간의 각도 종속성(I_c/I_co)의 비교를 도시하며,

도4는 본 발명에 따라서 (1) 2층의 초전도 사마륨-바륨-코퍼 산화막과 초전도 이트륨-바륨-코퍼 산화막, (2) 초전도 이트륨-바륨-코퍼 산화막, (3) 2층의 초전도 이트륨-바륨-코퍼 산화막 사이에 끼어진 3층의 초전도 사마륨-바륨-코퍼 산화막, 및 (4) 2층의 초전도 에르븀-바륨-코퍼 산화막과 교번하는 3층의 초전도 이트륨-바륨-코퍼 산화막의 다층 구조체를 도시하며,

도5는 플럭스 피닝 능력을 보여주기 위해, 선택된 희토류 원소들의 양이온 결합물, 예를 들면 ((RE¹RE²)123) 조성물의 이온 반지름 크기에 대한 히스테리시스 루프의 평균 폭에 대한 도표를 도시하며,

도6은 희토류 원소의 양이온 결합물, 예를 들면 ((RE¹RE²)123) 조성물의 결합물 간의 평균 결정 크기(옹스트롬) 대 평균 이온 반지름에 대한 도표를 도시하며,

도7은 희토류 원소의 양이온 결합물, 예를 들면 ((RE¹RE²)123) 조성물의 결합물 간의 불균일 스트레인(%) 대 평균 이온 반지름에 대한 도표를 도시하며,

도8은 70%의 이트륨/30%의 사마륨의 결합(A), 50%의 이트륨/50%의 사마륨의 결합(B), 및 30%의 이트륨/70%의 사마륨의 결합(C)을 포함하는 희토류 원소의 양이온 결합물 간의 평균 결정 크기(옹스트롬) 대 평균 이온 반지름에 대한 도표를 도시하며,

도9는 희토류 바륨-코퍼 산화물의 그램당 기전 단위 대 순수한 이트륨 바륨-코퍼 산화물과, 이트륨과 사마륨의 2원 시스템(희토류 원소의 총량에 기준한 30/70, 50/50, 70/30의 이트륨과 사마륨의 몰%)를 포함하는 바륨-코퍼 산화 복합물의 자계(가우스)를 나타내는 도표이며,

도10은 순수한 이트륨 바륨-코퍼 산화물의 샘플과, 이트륨과 사마륨의 2원 시스템(희토류 원소의 총량에 기준한 50/50의 이트륨과 사마륨의 몰%)와 이트륨과 유로퓸의 2원 시스템(희토류 원소의 총량에 기준한 50/50의 이트륨과 유로퓸의 몰%)에 대한 임계 전류 밀도 대 자계(텔사)의 도표를 도시한다.

본 발명은 개선된 플럭스 피닝 성질을 갖는 박막 초전도 조성물에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에서, 박막 초전도 조성물은 도1에 도시된 바와 같이 (RE¹)123과 (RE²)123 층이 교번하는 다층 구조체를 포함한다. 본 발명의 또 다른 실시예에서 박막 초전도 조성물은 (RE¹/RE²)123을 포함한다.

본 발명의 박막 초전도 조성물을 형성할 때, 희토류 원소를 포함하는 조성물의 박막은 일반적으로 기판 상에 증착한다. 기판은 란타늄 알루미늄 옥사이드(LaAl0₃), 스트론튬 티타네이트(SrTiO₃), 마그네슘 옥사이드(MgO), 스트론튬 알루미늄 탄탈륨 옥사이드(Sr₂AlTaO₆)나, 란타늄 알루미늄 옥사이드와 스트론튬 알루미늄 탄탈륨 옥사이드의 고용체(LaAl0₃)_0.3(Sr₂AlTaO₆)_0.7와 네오디뮴 가돌리네이트(NdGaO₃) 등의 유전체 산화물(dielectric oxide)이거나, 또는 이트리아 안정화 지르코니아의 버퍼층을 갖는 세륨 옥사이드(CeO₂/YSZ), 세륨 옥사이드의 버퍼층을 갖는 알루미늄 옥사이드(Al₂O₃/CeO₂)나 버퍼층을 갖는 실리콘 등의 복합 물질이 될 수 있다. 기판은 또한, 금속 표면 상에 적당한 버퍼층을 갖는 니켈, 니켈 합금 등의 가연 금속 기판을 포함하는 복합물이 될 수 있다. 그러한 버퍼층은 이온 빔 지원 증착(ion beam assisted deposition)에 의해 증착되는 YSZ나 MgO 등의 물질이 될 수 있다. 이온 빔 지원 증착은 미국특허 제5,650,378호, 제5,432,151호와제5,872,080호에 개시되어 있다.

희토류 원소 함유 물질의 박막은 일반적으로 약 5나노미터(㎚) 내지 약 500㎚의 두께를 가지며, 바람직하게는 약 10㎚ 내지 약 200㎚의 두께이다. 본 발명의 다층 구조체에서, 각각의 개별 층은 일반적으로 약 5㎚ 내지 약 500㎚의 두께를 가지며, 바람직하게는 10㎚ 내지 약 200㎚의 두께이며, 보다 바람직하게는 약 200㎚의 두께이다. 당해기술의 숙련자가 쉽게 이해하는 것처럼, 막 두께에 대한 다른 변형예가 이용될 수도 있다.

일반적으로는 (RE)123 재료, 예를 들면 초전도 (RE)123 재료의 박막이 구조체의 다른 물질과 화학적 적응성(compatability) 및 구조적 적응성을 갖는 것이 바람직하다. "화학적 적응성"이 의미하는 바는, 다양한 (RE¹)123과 (RE²)123 물질이 교번하는 층 사이에서 또는 기판과 특성 열화 화학작용을 겪지 않는다는 것이다. "구조적 적응성"이 의미하는 바는, (RE¹)123과 (RE²)123 물질이 교번하는 층 사이에서 또는 기판과 실질적으로 유사한 래티스 구조를 갖는다는 것이다. 잘 알려진 버퍼층은, 화학적 적응성과 구조적 적응성을 확실히 하기 위해 (RE¹)123과 (RE²)123 사이에 사용될 수 있다.

본 발명에 따른 고온 초전도(HTS) 조성물을 형성하는데 적합한 다양한 물질들로는, 이트륨, 프라세오디뮴, 네오디뮴, 프로메튬, 사마륨, 유로퓸, 가돌리늄, 테르븀, 디스프로슘, 홀륨, 에르븀, 툴륨, 이테르븀과 루테튬을 포함하는 그룹으로부터의 희토류 원소(예를 들면, RE¹과 RE²)를 갖는 희토류-바륨 코퍼 옥사이드(RE-Ba₂Cu₃O₇이나 RE-BCO)는 어느 것이든 될 수 있다. 그러므로, 희토류 원소의 적당한 이원 결합물은 이트륨과 프라세오디뮴, 이트륨과 네오디뮴, 이트륨과 프로메튬, 이트륨과 사마륨, 이트륨과 유로퓸, 이트륨과 가돌리늄, 이트륨과 테르븀, 이트륨과 디스프로슘, 이트륨과 홀뮴, 이트륨과 에르븀, 이트륨과 툴륨, 이트륨과 이테르븀, 이트륨과 루테튬, 프라세오디뮴과 네오디뮴, 프라세오디뮴과 프로메튬, 프라세오디뮴과 사마륨, 프라세오디뮴과 유로퓸, 프라세오디뮴과 가돌리늄, 프라세오디뮴과 테르븀, 프라세오디뮴과 디스프로슘, 프라세오디뮴과 홀뮴, 프라세오디뮴과 에르븀, 프라세오디뮴과 툴륨, 프라세오디뮴과 이테르븀, 프라세오디뮴과 루테튬, 네오디뮴과 프로메튬, 네오디뮴과 사마륨, 네오디뮴과 유로퓸, 네오디뮴과 가돌리늄, 네오디뮴과 테르븀, 네오디뮴과 디스프로슘, 네오디뮴과 홀뮴, 네오디뮴과 에르븀, 네오디뮴과 툴륨, 네오디뮴과 이테르븀, 네오디뮴과 루테튬, 프로메튬과 사마륨, 프로메튬과 유로퓸, 프로메튬과 가돌리늄, 프로메튬과 테르븀, 프로메튬과 디스프로슘, 프로메튬과 홀뮴, 프로메튬과 에르븀, 프로메튬과 툴륨, 프로메튬과 이테르븀, 프로메튬과 루테튬, 사마륨과 유로퓸, 사마륨과 가돌리늄, 사마륨과 테르븀, 사마륨과 디스프로슘, 사마륨과 홀뮴, 사마륨과 에르븀, 사마륨과 툴륨, 사마륨과 이테르븀, 사마륨과 루테튬, 유로퓸과 가돌리늄, 유로퓸과 테르븀, 유로퓸과 디스프로슘, 유로퓸과 홀뮴, 유로퓸과 에르븀, 유로퓸과 툴륨, 유로퓸과 이테르븀, 유로퓸과 루테튬, 가돌리늄과 테르븀, 가돌리늄과 디스프로슘, 가돌리늄과 홀뮴, 가돌리늄과 에르븀, 가돌리늄과 툴륨, 가돌리늄과 이테르븀, 가돌리늄과 루테튬, 테르븀과 디스프로슘, 테르븀과 홀뮴, 테르븀과 에르븀, 테르븀과 툴륨, 테르븀과 이테르븀, 테르븀과 루테튬, 디스플로슘과 홀뮴, 디스프로슘과 에르븀, 디스프로슘과 툴륨, 디스프로슘과 이테르븀, 디스프로슘과 루테튬, 홀뮴과 에르븀, 홀뮴과 툴륨, 홀뮴과 이테르븀, 홀뮴과 루테튬, 에르븀과 툴륨, 에르븀과 이테르븀, 에르븀과 루테튬, 툴륨과 이테르븀, 툴륨과 루테튬, 및 이테르븀과 루테튬을 포함할 수 있다. 3원 및 4원 결합이 이용될 수 있고, 마찬가지로 4개를 초과하는 개별 희토류 원소를 포함하는 추가 결합이 이용될 수 있다.

두 개의 희토류 원소의 결합에서, 각각의 희토류 원소가 동일한 몰%, 즉 각 희토류 원소의 50몰%로 존재하지 않는 것이 바람직하다. 존재하는 희토류 원소의 총량에 기준하여, 각 원소가 일반적으로 약 10% 내지 약 90%의 몰%로, 바람직하게는 약 30%에서 약 70%로, 보다 바람직하게는 약 45%에서 약55%로 존재하지만, 동일하지 않은 몰%로 존재하는 것이 바람직하다. 3원 및 4원 결합에서는, 동량이 가장 바람직하긴 하지만 몰%는 광범위하게 변할 수 있다.

다양한 희토류 원소 함유 물질의 층 또는 층들은 펄스 레이저 증착에 의해 또는 증발, 스퍼터링 또는 화학증착에 의해 증착될 수 있다. 펄스 레이저 증착이 바람직한 증착법이다.

펄스 레이저 증착에서, 바람직한 물질의 가루는 먼저 고압으로, 일반적으로 제곱 인치당 약 500파운드(PSI) 이상으로 디스크로 또는 펠릿(pellet)으로 압착되며, 압착된 디스크는 그 후 적어도 약 1시간 동안, 바람직하게는 약 12시간 내지24시간 동안 산소 함유 분위기에서 소결(sintering)된다. 펄스 레이저 증착의 타깃을 준비하는데 있어서 일반적인 방법은 타깃 물질의 분쇄(grinding)를 포함하고, 그 후 약 800℃ 내지 약 1,000℃의 온도에서 반나절에서 최대 5일 동안, 예를 들면 공기 중에 가루를 소결시킨다. 분쇄와 소결이 반복되는 수회의 사이클이 잘 혼합된 샘플을 보장할 수 있다. 그리고 나서 그 물질들은 압착되어 원하는 타깃을 완성시킨다. 펄스 레이저 증착에 적당한 장치는 Appl. Phys. Lett., 56,578(1990년) "YBa₂Cu₃O_7-x의 엑시머 레이저 증착에 대한 빔 파라미터의 영향"에 개시되어 있으며, 본 발명에서는 그에 대한 개시 내용을 참조한다.

펄스 레이저 증착에 적합한 조건으로는, 예를 들면 약 45°의 입사각에서 원하는 물질의 회전 필렛 상에서 타깃화된 XeCl 엑시머 레이저(20 나노세컨드(ng), 308 나노미터(㎚)) 등의 레이저를 포함한다. 타깃 기판은 결과로 나온 막이나 층에서 두께의 변화를 최소화하기 위해 분당 약 0.5 회전(rpm)으로 회전되는 가열된 홀더 상에 장착된다. 기판은 증착되는 동안에 약 600℃ 내지 약 950℃의 온도로, 바람직하게는 약 700℃ 내지 약 850℃의 온도로, 보다 바람직하게는 약 700℃ 내지 약 800℃의 온도로 가열될 수 있다. 약 0.1밀리토르(mTorr) 내지 약 10Torr, 바람직하게는 약 100mTorr 내지 약 400mTorr의 산소 분위기가 증착 동안에 증착실 내에서 유지될 수 있다. 기판 홀더와 필렛 사이의 거리는 일반적으로 약 4㎝ 내지 약 10㎝가 될 수 있다.

박막이나 박층의 형성 속도는, 약 1㎐ 내지 약 200㎐까지 레이저 반복률을변경함으로써 초당 약 0.1옹스트롬(Å/s) 내지 약 200Å/s 사이에서 변경될 수 있다. 레이저 빔 발산(divergence)은 반복률의 함수이기 때문에, 타깃 필렛 상에서 일정한 레이저 에너지 밀도를 유지하기 위해 조정된 반복률과 렌즈 초점 거리의 변경 후에 빔 프로필을 모니터할 수 있다. 일반적으로 레이저 빔은 제곱 센티미터 당 약 1 내지 약 5J(J/㎠), 바람직하게는 약 1.5 내지 약 3J/㎠의 평균 에너지 밀도와, 약 3㎜ ×4㎜의 치수를 갖는다.

(RE¹)-바륨-코퍼 옥사이드와 (RE²)-바륨-코퍼 옥사이드의 다층 구조체를 이용함으로써, 복합(희토류)-바륨-코퍼 옥사이드(RE¹RE²)123의 초전도적 성질이 개선될 수 있다. 예를 들면 초전도 이트륨-바륨 코퍼 옥사이드의 교번하는 2000Å 두께의 층 사이에 각각 끼어지는 두 개의 2000Å 두께의 사마륨-바륨-코퍼 옥사이드를 갖는 5층의 다층 구조체는 도3과 도4에 도시된 바와 같이 각도 종속성이 개선된다는 것을 보여주었다. 마찬가지로, 초전도 이트륨-바륨 코퍼 옥사이드의 교번하는 2000Å 두께의 층 사이에 각각 끼어지는 두 개의 2000Å 두께의 에르븀-바륨-코퍼 옥사이드를 갖는 5층의 다층 구조체는 도2에 도시된 바와 같이 각도 종속성이 개선된다는 것을 보여주었다.

(RE¹)-바륨-코퍼 옥사이드와 (RE²)-바륨-코퍼 옥사이드의 다층 구조체를 채용하는 본 발명의 실시예에서, 개별 층에는 한 개를 초과하는 희토류 원소가 포함될 수 있다. 이 경우에, (RE¹)-바륨-코퍼 옥사이드 층과 (RE²)-바륨-코퍼 옥사이드는각각 2원 희토류 결합, 3원 희토류 또는 4원 희토류 결합을 포함할 수 있다. 다양한 2원 결합은 전술한 것처럼 열거되었고, 3원과 4원 결합은 쉽게 인지할 수 있다. 교번하는 층의 수는 일반적으로 적어도 3개이다. 또한 더 많은 층이 바람직할 수 있다. 5개 층의 교번하는 초전도 (RE¹)123과 초전도 (RE²)123 물질은 3개 층의 교번하는 초전도 (RE¹)123과 초전도 (RE²)123 물질보다 더욱 강한 피닝과 개선된 I_c(9kOe)I_co를 제공할 수 있음이 발견되었다. 교번하는 층의 수는 홀수로 제한되지 않으며, 4층 또는 6층 등으로 형성될 수 있다. 일반적으로, (RE¹)123이나 (RE²)123 중에서 상층의 것이 물질들 사이에 보다 양호한 초전도 성질을 갖는 것이 바람직할 수 있다. 본 발명에 따른 복합 다층 구조체는 또한 서로 다른 2개의 유형의 물질을 이용할 수 있다. 즉, 3원 시스템에는, 제1층의 (RE¹)123, 제2층의 (RE²)123, RE¹과 RE²와 같은 물질 중에서 선택된 RE³를 갖는 제3층의 (RE³)123을 포함할 수 있다.

본 발명은 당해기술의 숙련자에게는 수많은 변형과 변경이 명백하므로 단지 예시를 위한 다음 실험예와 관련하여 보다 상세히 설명된다.

실험예 1

LaAlO₃기판을 갖는 일련의 구조체가 제1 초전도 이트륨-바륨-코퍼 옥사이드와 그 다음에는 초전도 사마륨-바륨-코퍼 옥사이드 막이나 초전도 에르븀-바륨-코퍼 옥사이드 막과 교번하는 층을 갖도록 형성되었다. 박막은 실질적으로는 동일한 공정 조건 하에서 308㎚ XeCI 엑시머 레이저를 이용하여 동일 장소 펄스 레이저 증착(PLD)에 의해 기판 상에 증착되었다.

본 발명에 따른 구조체의 특성에 관한 연구에서는 기판 상의 초전도 사마륨-바륨-코퍼 옥사이드 막과 초전 이트륨-바륨-코퍼 옥사이드 층의 초전도 복합물과 기판 상에 하나의 초전도 이트륨-바륨-코퍼 옥사이드 층을 비교하였다. 초전도 복합물은 도4에 도시된 바와 같이 더욱 강한 피닝과 개선된 I_c(9kOe)I_co, 전계에서 정규화 I_c(H=9kOe)를 보여주었다. 기판 상의 초전도 에르븀-바륨-코퍼 옥사이드 막과 초전도 이트륨-바륨-코퍼 옥사이드 층의 초전도 복합물에 대해서도 비슷한 결과가 얻어졌다. 도2에 도시된 바와 같이, 복합물은 이트륨-바륨-코퍼 옥사이드 층(3층)과 에르븀-바륨-코퍼 옥사이드 층(2층)의 교번층을 갖는 5층 복합물이 포함되었다.

이들 결과는 다층 구조체의 초전도 복합물이, 사마륨-바륨-코퍼 옥사이드 층과 이트륨-바륨-코퍼 옥사이드층 또는 에르븀-바륨-코퍼 옥사이드층과 이트륨-바륨-코퍼 옥사이드층 등의 교번층을 포함하는 희토류-바륨-코퍼 옥사이드 복합물에 대해서 개선된 J_c특성을 얻을 수 있다는 것을 입증한다.

실험예 2

순수한 이트륨 바륨-코퍼 옥사이드와, 희토류 원소 총량에 기준하여, 몰%로 각각 50%의 양을 갖는 이트륨과 네오디뮴, 이트륨과 사마륨, 이트륨과 유로퓸, 이트륨과 가돌리늄, 이트륨과 디스프로슘, 이트륨과 홀뮴의 2원 시스템을 포함하는바륨 코퍼 옥사이드 화합물의 벌크 표본이 준비되었다. 이들 표본에 대한 히스테레시스 루프의 평균 폭이 측정되었고, 도5에 도시된 것처럼 2개의 희토류 원소의 평균 이온 크기에 대하여 도표가 제시되었다.

순수한 이트륨 바륨-코퍼 옥사이드와, 이트륨과 사마륨(희토류 원소의 총량에 기준하여 30/70, 50/50, 70/30의 Y/Sm의 몰%)의 2원 시스템을 포함하는 바륨-코퍼 옥사이드 벌크 표본이 준비되었고, 히스테레시스 루프가 Bean, Reviews of Modern Physics 36권 31-39페이지(1964년)에서 개시된 방법으로 측정이 이루어졌다. 순수한 이트륨 바륨-코퍼 옥사이드와 50/50 Y/Sm의 몰%를 포함하는 바륨-코퍼 옥사이드 화합물의 (10K에서의) 히스테레시스 루프는 거의 동일한 것으로 밝혀졌다. 반대로, 30/70과 70/30 Y/Sm의 몰%를 포함하는 바륨-코퍼 옥사이드 화합물의 히스테레시스 루프는 도9에 도시된 폭이 더 넓은 히스테레시스 루프에서 도시된 것처럼 더 양호한 것으로 밝혀졌다. 벌크 물질에 대한 이들 히스테레시스 루프의 측정치는 50/50을 제외한 희토류 원소에 대한 몰% 비는 향상된 결과를 제공한다는 것을 암시한다.

순수한 이트륨 바륨-코퍼 옥사이드, (희토류 총량에 기준하여 50/50의 Y/Sm의 몰%) 이트륨과 사마륨의 2원 시스템을 포함하는 바륨-코퍼 옥사이드 및 (희토류 총량에 기준하여 50/50의 Y/Eu의 몰%) 이트륨과 유로퓸의 2원 시스템을 포함하는 바륨-코퍼 옥사이드의 박막들이, 펄스 레이저 증착에 의해 제1층의 빔 지원 증착 YSZ와 제2층의 이트리아 옥사이드를 갖는 Inconel 625 니켈의 기판 상에 증착되었다. 이들 박막의 임계 전류가 측정되었고 (자체 필드(self field) I_c로 정규화된) 도표들이 도10에 도시되어 있다. 순수한 이트륨 바륨-코퍼 옥사이드 표본 대 이트륨과 사마륨의 2원 시스템을 포함하는 바륨-코퍼 옥사이드 표본과 이트륨과 유로퓸의 2원 시스템을 포함하는 바륨-코퍼 옥사이드 표본에 대한 도표의 기울기는, 혼합된 희토류 시스템을 갖는 표본이 더 높은 자계에서 더 높은 %의 임계 전류를 유지한다는 것을 가리킨다.

전술한 내용으로부터 벌크 표본의 x-ray 회절(XRD)에 의해 측정되는 미세 결정의 크기(Å)가 측정되었고, 두 개의 희토류 원소의 평균 이온 크기에 대하여 도6에 도표로 제시되었다.

전술한 내용으로부터 벌크 표본의 XRD에 의해 측정된 대로 불균일 스트레인(%)이 측정되었고, 두 개의 희토류 원소의 평균 이온 크기에 대하여 도7에 도표로 제시되었다.

전술한 내용으로부터 벌크 표본의 XRD에 의해 측정되는 미세 결정의 크기(Å)가 측정되었고, 70%의 이트륨/30%의 사마륨의 결합(A), 50%의 이트륨/50%의 사마륨의 결합(B), 및 30%의 이트륨/70%의 사마륨의 결합(C)을 포함하는 희토류 원소의 양이온 결합물 간의 평균 미세 결정 크기(옹스트롬)에 대하여 도8에서 도표로 제시되었다.

본 발명이 구체적인 세부내용과 함께 개시되었지만, 그러한 세부내용이, 첨부하는 청구범위에 포함되는 경우는 제외하고, 그리고 포함되는 경우에도 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 간주되게 할 의도는 없다.

Claims

초전도 구조체에 있어서,

기판,

상기 기판 상의 초전도 희토류-바륨-코퍼 옥사이드의 박막을 포함하고,

상기 박막은 이트륨, 프라세오디뮴, 네오디뮴, 프로메튬, 사마륨, 유로퓸, 가돌리늄, 테르븀, 디스프로슘, 홀뮴, 에르븀, 툴륨, 이테르븀과 루네튬으로 이루어진 그룹에서 선택되는 적어도 두 개의 희토류 원소를 포함하며,

상기 초전도 물질의 상기 박막은 상기 기판과 화학적 적응성과 구조적 적응성을 갖는 것을 특징으로 하는 초전도 구조체.
제1항에 있어서,

초전도 희토류-바륨-코퍼 옥사이드의 상기 박막은 초전도 희토류-바륨-코퍼 옥사이드층이 교번하는 복합 다층 구조체를 포함하며,

상기 희토류 원소는 이트륨, 프라세오디뮴, 네오디뮴, 프로메튬, 사마륨, 유로퓸, 가돌리늄, 테르븀, 디스프로슘, 홀뮴, 에르븀, 툴륨, 이테르븀과 루네튬으로 이루어진 그룹에서 선택되고, 교번층 내의 상기 희토류 원소는 서로 다른 것을 특징으로 하는 구조체.
제1항에 있어서,

상기 기판은 란타늄 알루미늄 옥사이드, 스트론튬 티타늄 옥사이드, 마그네슘 옥사이드, 네오디뮴 가돌리늄 옥사이드, 및 세륨 옥사이드/이트리아 안정화 지르코니아로 이루어진 그룹에서 선택되는 물질의 유전체 산화물인 것을 특징으로 하는 구조체.
제2항에 있어서,

초전도 희토류-바륨-코퍼 옥사이드의 상기 교번층은 각각 약 5 나노미터 내지 약 500 나노미터의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 구조체.
제2항에 있어서,

상기 복합 다층 구조체는 적어도 세 개의 교번층을 포함하는 것을 특징으로 하는 구조체.
제1항에 있어서,

초전도 희토류-바륨-코퍼 옥사이드의 상기 박막은 적어도 두 개의 희토류 원소를 포함하는 단일 박막 혼합물인 것을 특징으로 하는 구조체.
제6항에 있어서,

상기 단일 박막 혼합물은 사마륨과 이트륨을 포함하는 것을 특징으로 하는 구조체.
제7항에 있어서,

상기 사마륨과 이트륨은 희토류 원소의 총량에 기준하여 약 50몰% 대 약 50몰%의 비로 존재하는 것을 특징으로 하는 구조체.
제1항에 있어서,

상기 산화 유전층 기판은 란타늄 알루미늄 옥사이드, 스트론튬 티타늄 옥사이드, 마그네슘 옥사이드, 네오디뮴 가돌리늄 옥사이드, 및 세륨 옥사이드/이트리아 안정화 지르코니아로 이루어진 그룹에서 선택되는 물질로 되어있는 것을 특징으로 하는 구조체.
제7항에 있어서,

상기 사마륨과 이트륨은 희토류 원소의 총량에 기준하여 약 30몰%(Sm) 대 약 70몰%(Y)의 비로 존재하는 것을 특징으로 하는 구조체.
제7항에 있어서,

상기 사마륨과 이트륨은 희토류 원소의 총량에 기준하여 약 70몰%(Sm) 대 약 30몰%(Y)의 비로 존재하는 것을 특징으로 하는 구조체.
제6항에 있어서,

상기 단일 박막 혼합물은 유로퓸과 이트륨을 포함하는 것을 특징으로 하는 구조체.
제12항에 있어서,

상기 유로퓸과 이트륨은 희토류 원소의 총량에 기준하여 약 30 내지 70몰%(Sm) 대 약 70 내지 30몰%(Eu)의 비로 존재하는 것을 특징으로 하는 구조체.